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雷电的形成机理

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行业新闻
作者:
来源:
2009/10/14
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【摘要】:
大气物理学的一个分支。主要研究电离层以下大气中发生的各种电现象和它们的产生与相互作用过程的规律及应用。远古人类对雷电现象充满恐惧,18世纪中叶(1752年6月)美国B.富兰克林的第一次风筝探测雷电试验以后,雷电的本质逐渐被人类认识,20世纪20~30年代以后,人们逐步对云中起电,闪电和雷的物理特性、形成机制等进行研究产生了大气电学。  大气电学有两大主要部分:晴天电学和扰动天气电学。晴天电学主要研

  大气物理学的一个分支。主要研究电离层以下大气中发生的各种电现象和它们的 产生与相互作用过程的规律及应用。远古人类对雷电现象充满恐惧,18世纪中叶(1752 年6月)美国B.富兰克林的第一次风筝探测雷电试验以后,雷电的本质逐渐被人类认识,20世纪20~30年代以后,人们逐步对云中起电,闪电和雷的物理特性、形成机制等进行研究产生了大气电学。

  大气电学有两大主要部分:晴天电学和扰动天气电学。晴天 电学主要研究晴天大气电场、大气电导率、地空电流和全球大气电平衡等;扰动天气 电学主要研究雷雨云电结构和起电机制、雷与闪电过程、尖端放电过程与避雷方法等。人工影响雷电在目前只处于初期探索阶段,随着大气电学的发展和科学技术的进步,人类最终将会实现人工影响和控制雷电。在当今,大气电学对人民生活和对电力、电信、建筑、航空等部门都有重要意义。

  i) 大气电场

  把地表面视为下极板、电离层导电层视为上极板,组成巨大球形电容器,两极板 中间的大气基本不含电荷,上极板导电层含有正电荷,下极板的地表面含负电荷,这巨大电容器中间的电场称大气电场。规定大气电场方向从低电位的地面朝上(与物理学静电学规定相反)。尽管雷雨云移到某处时,雷雨云底部与相对应下垫面间的电场方向是向下的,但对全球而言,雷雨云区所占比例很小(约1%),故总体大气电场的方向是朝上的。晴天电场常被看作正常大气电场,其场强随纬度增大而增强、随离地 面高度而变小,全球平均看,陆区地表面附近电场强度为120伏/米左右,海面上则约为130伏/米。在工业区污染严重、气溶胶粒子多的地方,晴天电场强度可达300~400伏/ 米。晴天电场场强随高度减弱是很强烈的,在10公里高度处的值仅为地面值的3%即约4伏/米。晴天电场强度有日变化和年变化。陆面在地方时04-06时和12-16时出现极小值,07─10时和19─21时为极大值;一年之中,冬季为极大值、夏季为极小值。在海面和两极地区,在世界时19时出现极大值,04时左右为极小值,这些地区大气电场年变化不明显。

  ii)大气电导率和离子迁移率

  大气不仅含中性分子和原子,还含有一些离子,这些离子分为轻离子(由几个分子聚集在一起而带一个正电荷或负电荷,直径约千分之一微米)和重离子(荷电的气溶胶粒子,常带一个正电荷或负电荷,比轻离子大成千上万倍)。描述大气离子在电场中移动快慢的参数称迁移率,由于大气离子基本上都只带一个单位电荷,所以在同样的电场强度的电场中,轻离子的迁移率要比重离子的大得多。例如在场强为1伏/厘米的电场中,大气轻离子移动速率为115厘米/秒,而重离子的移动速率只是这个数的几百分之一。

  大气电学中,把正比于大气离子浓度和迁移率乘积的参数称为大气导电率λ,λ随高度按指数律增加,这与大气电场强度随高度的变化趋势相反。大气导电率比铜的电导 率640000/欧姆·厘米要小得多,大气的导电性是很弱的。当用J记大气电流密度,用E代表大气电场强度,则有关系式J=λE成立。其中J是不随高度变化的。

  iii)地空电流在晴天大气电场作用下,大气中的正离子向下运动、负离子向上运动,如此形成的 微弱电流称地空电流。这电流是比较稳恒的,不随高度变化,把这个微弱电流与地球表面积相乘,便得到全球地空电流的总电流强度为1800安培,如果只存在晴天地空电流,那么在1800安培电流放电的情况下,只需要几分钟,便可使地表面这个巨大“电容器”下极板的负电荷全部中和而使其电荷消失。因此,必定存在与晴天地空电流相反方向的补偿电流,把地表面的正离子输向大气(向地面输入负离子),以维持晴天大气电场基本不变,这就是闪电电流和尖端放电电流等。雷雨云电结构模式没有雷雨云便没有雷电,因此对雷雨云的探测研究是十分重要的。在20世纪30年代以后,人类通过施放大量探测气球,获得了较丰富的资料,总结出最早的雷雨云电结构模式如图所示:存在两个主电荷中心,云底附近另有一个次电荷中心。它们分别 是中心位于约6公里高度处,约含+24库仑电量的正电荷中心、中心位于约3公里的、约含─20库仑的负电荷中心、中心位于1.5公里、含有约+4库仑电量的次电荷中心。后来虽然也提出过许多雷雨云电结构的种种模式,对荷电中心的高度,荷电量进行修正,甚至也有倾斜形式的电结构模式,但至今并无一致公认的比前述原始模式更合理的模式,因而原始模式仍是当前常用的模式,它也称雷雨云电结构的电偶极子模式。

  v)雷雨云起电

  雷雨中的电荷怎样产生的?怎样形成上、下荷电中心?由于雷雨云内部观测十分困难和危险,要对上述问题作出圆满的解答,目前还作不到。曾提出过几种雷雨云起电的理论,例如感应起电理论、温差起电理论、大水滴破裂起电理论、冰的融化起电 理论等,它们都只能部分地解释云内电荷分布观测事实。例如感应起电理论便这样认为:在晴天电场作用下,云质粒和降水质粒(固态或液态质粒,比云质粒大得多)都被感应而极化,它们的上半部带负电、下半部带正电。因降水质粒下降速度大,故常与路途中的云粒子相碰,一部分粒子被捕获,另一部分云粒子被弹开,但把负电荷留下,而成为带正电荷粒子,在云中上升气流作用下,这样的云粒子便聚积于云的上部,在那里形成正电荷中心。经碰撞后带正电的降水质粒重,有的掉出云去,其余便聚积 于云下部或中部,形成负电荷中心。又例如冰的融化起电理论认为:固态降水粒子(冰粒子)降到0℃层以下便融化,原来冰隙中的空气变成气泡并破裂,溅散走一些带负电的小滴粒,于是融化粒子(即水滴或冰水混合体)带正电,在云底强上升气流区域聚积,形成一个带正电的次电荷中心。

  vi)打雷和闪电

  当天空中乌云密布,雷雨云迅猛发展时,突然一道夺目的闪光划破长空,接着传 来震耳欲聋的巨响,这就是闪电和打雷,亦称为雷电。就雷的本质而言,它属于大气声学现象,是大气中的小区域强烈爆炸产生的冲击波而形成声波,而闪电则是大气中发生的火花放电现象。 闪电通常是在雷雨云的情况出现,偶尔也在雷暴、雨层云、尘暴、火山爆发时出现。闪电的最常见形式是线状闪电,偶尔也可出现带状、球状、串球状、枝状、箭状闪电等等。线状闪电可在云内、云与云间、云与地面间产生,其中云内、云与云间闪电占大部分,而云与地面间的闪电仅占六分之一,但其对人类危害最大。

  vii)闪电过程

  肉眼看到的一次闪电,其过程是很复杂的。当雷雨云移到某处时,云的中下部是强大负电荷中心,云底相对的下垫面变成正电荷中心,在云底与地面间形成强大电场。在电荷越积越多,电场越来越强的情况下,云底首先出现大气被强烈电离的一段气柱,称梯级先导。这种电离气柱逐级向地面延伸,每级梯级先导是直径约5米、长50米、电流约100安培的暗淡光柱,它以平均约150000米/秒的高速度一级一级地伸向地面,在离地面5─50米左右时,地面便突然向上回击,回击的通道是从地面到云底,沿着上述梯级先导开辟出的电离通道。回击以5万公里/秒的更高速度从地面驰向云底,发出光亮无比的光柱,历时40微秒,通过电流超过1万安培,这即第一次闪击。相隔几秒之后,从 云中一根暗淡光柱,携带巨大电流,沿第一次闪击的路径飞驰向地面,称直窜先导,当它离地面5─50米左右时,地面再向上回击,再形成光亮无比光柱,这即第二次闪击。接着又类似第二次那样产生第三、四次闪击。通常由3─4次闪击构成一次闪电过程。一次闪电过程历时约0.25秒,在此短时间内,窄狭的闪电通道上要释放巨大的电能,因而形成强烈的爆炸,产生冲击波,然后形成声波向四周传开,这就是雷声或说“打雷”。

  viii)全球大气电平衡

  就全球而论,晴天大气电流、降水电流、闪电电流和尖端放电电流等四者的向上、向下电流达到动态平衡,称全球大气电平衡。

  据估算,全球晴天大气电流为1800安培,方向是向下的。到达地面的降水物(雨 滴、冰雹、雪花等)有的带正电荷,有的带负电荷,但总体而言,降水是向地面输送 正电荷,全球因降水而形成向下的电流是600安培。全球每秒钟约发生100多个闪电,其中1/5~1/6为云地闪电,以每次云地闪电使大气向地表输送20库仑负电荷来计算,可估计得全球因闪电造成的向上电流为400安培。人造尖端或自然尖端的放电电流,方向 是向上的,电流总数值约200安培。上述四项电流达到平衡,使之可稳定地维持全球地表恒定拥有巨大数量的负电荷,维持全球有恒定的大气电场。

  ix)尖端放电与避雷针

  在强电场作用下,物体曲率大的地方(如尖锐、细小的顶端,弯曲很厉害处)附近,等电位面密,电场强度剧增,致使这里空气被电离而产生气体放电现象,称为电晕放电。而尖端放电为电晕放电的一种,专指尖端附近空气电离而产生气体放电的现象。 当雷雨云过境时,云的中下部是强大负电荷中心,云下的下垫面是正电荷中心,云与地面间形成强电场,记地面电位为P,则依次各等位面记为P─1,P─2,......。在地面凸出物如建筑物尖顶、树木、山顶草、林木、岩石等尖端附近,等电位面就会很密集,这里电场强度极大,空气发生电离,因而形成从地表向大气的尖端放电。

  避雷针是一根耸立在建筑物顶上的金属棒(接闪器)与金属引下线和金属接地体等三部分组成的防雷装置。它的作用是使可能会袭击建筑物的闪电吸引到它上面,再进入地里,借以保护建筑物。关于避雷针为何能防雷的机制,尚待进一步研究。有人认为避雷针的尖端放电,中和了雷雨云中积累的电荷,起到了消除电的作用,但近年来通过尖端放电电量计算,其远不能中和所有电荷。

  x)人的闪电防护

   雷呜电闪时在门外的人,为防雷击,应当遵从四条原则。一是人体应尽量降低自己,以免作为凸出尖端而被闪电直接击中。二是人体与地面的接触面要尽量缩小以防止因“跨步电压”造成伤害。所谓跨步电压是雷击点附近,两点间很大的电位差,若人的两脚分得很开,分别接触相距远的两点,则两脚间便形成较大的电位差,有强电流通过人体使人受伤害。第三是不可到孤立大树下和无避雷装置的高大建筑体附近,不可手持金属体高举头顶。第四是不要进水中,因水体导电好,易遭雷击。总之,应 当到较低处,双脚合拢地站立或蹲下,以减少遭遇雷的机会。

  雷电期间在室内者,不要靠近窗户、尽可能远离电灯、电话、室外天线的引线等;在没有避雷装置的建筑物内,应避免接触烟囱、自来水管、暧气管道、钢柱等。

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